Il ciclo di vita dei calcestruzzi ad elevata durabilità applicati in ambienti estremamente aggressivi

Il Progetto ReSHEALience e i primi risultati di valutazione degli impatti ambientali

Gli ultimi decenni sono stati caratterizzati da una crescente attenzione al tema dello sviluppo sostenibile. Gli effetti degli impatti ambientali, tra cui il cambiamento climatico e l’impoverimento delle risorse, sono ormai cronaca quotidiana e i continui e mutevoli accordi europei ed internazionali sul tema dello sviluppo sostenibile evidenziano, da un lato l’interesse comune a fornire un valido contributo al raggiungimento del comune obiettivo, dall’altro la vastità del tema e delle sue applicazioni.

L’impegno della Commissione Europea a tal proposito è reso evidente dalla mole di investimenti impiegati nel recente passato e da quelli programmati per il prossimo futuro, ritenuti necessari a garantire un approccio sostenibile alla crescita globale.

Tra i numerosi progetti di ricerca finanziati dalla Commissione Europea, rientra il Progetto ReSHEALience, acronimo di “Rethinking coastal defence and green-energy Service infrastructures through enHancEd-durAbiLIty high-performance fiber reinforced cement-based materials” (riflettere sulla difesa delle coste e sulle infrastrutture delle energie green attraverso materiali cementizi fibro-rinforzati ad elevate performance e durabilità).

Dunque, il Progetto ReSHEALience mira allo sviluppo di calcestruzzi fibro-rinforzati ad elevate performance ed elevata durabilità, definiti “UHDC – Ultra-High Durability Concretes”, caratterizzati da un incremento della vita utile di almeno il 30%, rispetto ai calcestruzzi tradizionali. Nelle attività del progetto è incluso lo studio dell’incremento della durabilità analizzato anche dal punto di vista della sostenibilità, tenendo in conto gli impatti ambientali, economici e sociali associati ad una prolungata vita utile delle strutture.

Il progetto ReSHEALience rientra nel programma Horizon 2020, relativo al settore “Nanotechnologies, Advanced Materials, Biotechnology and Advanced Manufacturing and Processing”, Grant Agreement n° 760824. Il Progetto è coordinato dal Politecnico di Milano e i partner coinvolti provengono sia dal settore industriale che dal settore della ricerca; la lista di tutti i partner coinvolti è indicata in Figura 1. Il progetto ha avuto inizio il 01/01/2018 ed ha durata pari a 48 mesi.

Figura 1: Consorzio del Progetto ReSHEALience  

La valutazione della sostenibilità del materiale UHDC

Le prime attività relative alla valutazione della sostenibilità del materiale UHDC sviluppato nel Progetto ReSHEALience hanno riguardato lo studio degli impatti ambientali, valutati in linea con un approccio life-cycle. Precisamente, sono state realizzate analisi di Life-Cycle Assessment (LCA) di infrastrutture esposte ad ambienti estremamente aggressivi, confrontando soluzioni tradizionali con soluzioni innovative.

Le infrastrutture scelte come casi studio per l'analisi di LCA

Sono stati analizzati due casi studio: il primo riguarda imbarcazioni off-shore per l’acquacoltura, esposti ad ambienti marini; il secondo riguarda le vasche di raccolta delle acque della torre di raffreddamento delle centrali geotermiche, esposte ad attacco chimico.

Le imbarcazioni off-shore per l’acquacoltura

Le imbarcazioni off-shore per l’acquacoltura sono localizzate in Spagna e utilizzate per la coltura di mitili o altri molluschi. Sono progettate per supportare un peso pari a 70 tonnellate. Tradizionalmente tali imbarcazioni sono realizzate con griglie di travi lignee principali e secondarie, connesse con chiodi in acciaio. Le travi in legno hanno una durata media di 15 anni e sono soggette a continua manutenzione, che implica l’applicazione di pitture protettive o la sostituzione di alcune di esse. Inoltre, sono necessarie frequenti ispezioni atte a serrare le connessioni che, a causa delle correnti marine, tendono ad allentarsi.
La soluzione innovativa studiata si basa sulla progettazione di tali imbarcazioni effettuata nel 2015 dalla compagnia spagnola RDC (Research & Development Concretes) utilizzando un calcestruzzo ad elevate performance (UHPC). Relativamente al progetto ReSHEALience, si è studiata la progettazione delle imbarcazioni composte da una maglia di travi primarie e secondarie realizzate in UHDC e connesse tramite chiodi in acciaio. Il mix design di 1 m³ di tale materiale include 800kg di cemento, 1062 kg di sabbia silicea, 175 kg di fumi di silice, 30 kg di superplasticizzante, 160 kg di fibre di acciaio per il rinforzo e 0,8% del contenuto di cemento di Penetron ADMIX^®, un additivo utilizzato per l’impermeabilizzazione e la protezione chimica; il rapporto acqua/cemento è pari a 0,2. Le travi in UHDC non necessitano di manutenzione durante la loro vita utile, assunta pari a 50 anni.

Le vasche di raccolta delle acque della torre di raffreddamento delle centrali geotermiche

Le vasche di raccolta delle acque della torre di raffreddamento sono localizzate a Chiusdino, in Italia, in prossimità di un impianto geotermico di proprietà di Enel Green Power (EGP). Le soluzioni tradizionali sono realizzate con calcestruzzo convenzionale che include il cemento Portland (OPC). A causa dell’attacco chimico, le vasche tradizionali, i cui muri possono avere uno spessore pari a 400mm, possono avere una durata massima di 20 anni; inoltre, tali vasche necessitano di una manutenzione ogni 5 anni, dato il rapido degrado del calcestruzzo e del ricoprimento impermeabilizzante.
Per ovviare a tali problematiche, si sono considerate, come progettazione preliminare, due soluzioni innovative in UHDC, aventi differenti mix design e geometria: la soluzione INN1, con muri di spessore pari a 300mm; la soluzione INN2, con muri di spessore 200 mm e contrafforti. Il mix design di 1m³ di calcestruzzo INN1 include: 600 kg di cemento Portland, 982 kg di sabbia, 33 l di superplasticizzante, 500kg di scorie d’altoforno, 120 kg di fibre di acciaio come unico rinforzo, 0,8% del contenuto di cemento di Penetron ADMIX^®; il rapporto acqua/cemento è pari a 0,33. Il mix design di 1m³ di calcestruzzo INN2 è simile a quello del calcestruzzo INN1, ma include anche 0,25% del contenuto di cemento di nano-fibre di alluminio (NAFEN® in dispersione pari al 10%), per l’ulteriore incremento della durabilità. Le vasche innovative possono avere una vita utile pari a 50 anni e richiedono minori attività di manutenzione.

Per entrambi i casi studio, si definisce l’unità funzionale, FU, e le fasi del ciclo di vita delle strutture tradizionali e innovative da comparare, al fine di assicurare l’equivalenza funzionale tra le soluzioni analizzate. Gli impatti ambientali delle due soluzioni alternative dei casi studio analizzati sono comparate in accordo con gli standard LCA (ISO 14040:2006 [1] e ISO 14044:2006 [2]) e il metodo europeo EPD 2013 [3], per la valutazione dell’impatto ambientale (LCIA). I risultati sono pubblicati in termini percentuali al fine di mostrare il confronto tra gli impatti delle soluzioni alternative.

Valutazione dell’impatto ambientale e risultati

Di seguito, si definiscono le FU e i confini del sistema delle infrastrutture in accordo con gli standard LCA. I confini del sistema sono stabiliti in linea con le EN 15804 [4], come riportato in Figura 2.

Figura 2: Fasi della LCA per i prodotti da costruzione EN 15804 [4]

Successivamente, si procede con la collezione di tutti i dati di input e output relativi ad ogni fase del ciclo di vita dell’infrastruttura, al fine di realizzare la fase di Inventario (LCI), necessaria per la valutazione gli impatti ambientali (LCIA). Le fasi di LCI e di LCIA sono state realizzate con il supporto del software SimaPro v.9.0 [5]. I risultati ambientali sono stati quantificati per i seguenti impatti: Acidificazione, Eutrofizzazione, Riscaldamento Globale, Ossidazione Fotochimica, Assottigliamento dello Strato di Ozono, Riduzione Abiotica delle risorse, Riduzione Abiotica dei combustibili fossili.

Le specifiche delle analisi LCA comparative sono di seguito riportate per le imbarcazioni off-shore per l’acquacoltura e per le vasche di raccolta delle acque di raffreddamento.

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